| "Der Satz ist ein Modell der Wirklichkeit, so wie wir sie uns denken." |
| (Ludwig Wittgenstein) |
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Neuronale Repräsentationen
Eines der Kennzeichen eines jeden lebenden Organismus ist es, über Rezeptoren oder Sinnesorgane Informationen aus der Umwelt wahrnehmen und auf diese Umweltreize
reagieren zu können, also mit der Umwelt zu interagieren. Eine solche Reaktion kann in einer Bewegung bestehen, etwa einer Ortsveränderung. Als Voraussetzung
für ein Verhalten müssen Umweltreize - oder bestimmte Aspekte der Reize - in irgendeiner Form im "Nervensystem" repräsentiert sein.
Diese Repräsentation kann in sehr indirekter, impliziter Form vorliegen, wie es anhand einfacher Verknüpfungen am Beispiel der Braitenberg-Vehikel diskutiert wurde
(Braitenberg, V. 1984). Eine höhere Form der Repräsentation eines Phänomens oder Objektes liegt dann vor, wenn
sie auch nach der Präsentation des Signals noch verfügbar ist; dies kann als explizite Repräsentation oder Gedächtnis bezeichnet werden.
Zu der Frage, wie eine solche explizite Repräsentation neuronal realisiert sein könnte, gibt es verschiedene Überlegungsansätze. Eine übliche,
einflussreiche Vorstellung ist die auf Hebb (1949, 1980, 1982, siehe auch Jusczyk
und Klein, 1982) zurückgehende Theorie der Zellverbände; dieser Theorie zufolge können Reize aus der Umwelt
im Gedächtnis in Form der Aktivierung sogenannter Cell-Assemblies repräsentiert werden. Wie könnten solche Cell-Assemblies im einzelnen aussehen?
Auch zu dieser Frage gibt es verschiedene Modelle, wie z.B. MLPs (Multi-Layer-Perceptrons), Kohonen-maps, Expertennetze, Jordan- und Elman-Netze, rekurrente Experten
(Tani, J., 1999), Hopfield-Netze und rekurrente Netze.
Hier soll ein spezieller Typ rekurrenter Netze betrachtet werden, der auf dem Prinzip der MMC-Netze beruht. Dieses neuronale Netz wurde ursprünglich für geometrische
Aufgaben entwickelt, z.B. die Steuerung von Arm-Bewegungen. Es kann die Lage der Handspitze berechnen, wenn alle oder nur ein Teil der Gelenkwinkel gegeben sind;
außerdem kann es die Gelenkwinkel bestimmen, welche zu einer Position führen, die notwendig ist, wenn die Handspitze auf einen vorgegebenen Punkt zeigen soll.
Das Grundprinzip besteht darin, dass mehrere geometrische Beziehungen ausgenutzt werden, um denselben Wert mehrfach auf verschieden Weise zu berechnen. Aus diesen
Werten wird dann der Mittelwert bestimmt, der für die nächste Berechnung wieder in das Netz zurückgegeben wird (aus diesem Grund wurde das Netz MMC -
Mean of Multiple Computation - genannt). Im Laufe mehrerer Wiederholungen dieser Schritte findet das Netz stets eine geometrisch mögliche Lösung - auch
dann, wenn bestimmte Randbedingungen vorgegeben sind (Steinkühler,
Burkamp, Cruse 1998).
Das Speicherprinzip besteht bei diesem Netz nicht darin, dass ein externes Signal ein bestimmtes Neuron (oder eine Gruppe von Neuronen) aktiviert, das dann seine Aktivität
durch Selbstaktivierung eine gewisse Zeit beibehält; vielmehr werden mindestens zwei Neuronen (Units) aktiviert, die zusammengehörige Signale repräsentieren.
Die Aktivierung wird dadurch aufrecht erhalten, dass sich diese Neurone über die rekurrenten Verknüpfungen gegenseitig aktivieren.
Verhaltenskontrolle - Sprachproduktion
Im Folgenden soll untersucht werden, wie diese Art der neuronalen Repräsentation von Signalen aus der Umwelt zur Kontrolle bzw. Erzeugung von sequentiellem, d.h.
in der Zeit aufeinanderfolgendem Verhalten verwendet werden kann. Nun können als Beispiel viele, unterschiedlich komplexe Verhaltensweisen gewählt werden,
wie die oben schon erwähnte Bewegung. Eine in der Zeit relativ gut beschreibbare Form des Verhaltens ist die menschliche Sprache, da ihre Grundstruktur "linear" - wie
die moderne Sprachwissenschaft ausgehend von Ferdinand de Saussure (1967, frz. Original 1916) es beschreibt - d.h.
sequentiell ist. Außerdem gibt es gerade in Bezug auf Sprache schon aus den verschiedensten Fachbereichen wie etwa der Linguistik und den Kognitionswissenschaften
fruchtbare Überlegungen. Deshalb soll in diesem Projekt Sprache als ein Beispiel einer zu kontrollierenden Verhaltensfolge gewählt werden.
Entwicklung der Sprachfähigkeit bei Kindern
Betrachtet man das Sprachverhalten erwachsener Menschen, ist dies aufgrund der fast unbeschränkten Möglichkeiten, hypotaktische Konstruktionen zu bilden,
als eine äußerst komplexe Verhaltensweise anzusehen. Deshalb erscheint es sinnvoll, bei den folgenden Überlegungen zunächst "ganz unten",
nämlich bei der Sprachfähigkeit kleiner Kinder und deren Entwicklung anzufangen, die dann in der Simulation umgesetzt werden sollen.
Wie läuft diese Entwicklung ab?1
Mills (1985) und Szagun (1996) folgend können nach der sogenannten
Lallphase vier Phasen der Entwicklung voneinander unterschieden werden. Im Alter von 10 bis 12 Monaten entsteht die Fähigkeit, einzelne Wörter zu verwenden.
Diese Einwortäußerungen werden auch als "Holophrasen" (de Laguna, 1927,
Leopold, 1949; Mccarthy, 1954) bezeichnet, um auszudrücken, dass schon
diese einzelnen Wörter holistische Bedeutungsträger sein können (Klann-Delius, 1999), d.h. komplexe Ideen
darstellen. Sagt ein kleines Kind z.B. "Ball", will es häufig nicht nur ein Objekt benennen, sondern etwas ausdrücken wie z.B. "Ich möchte den
Ball haben" (Mcneill, 1970). Die Auflösung in einzelne Phoneme scheint erst später möglich zu sein,
da man davon ausgeht, das Kinder die ersten sprachlichen Einheiten aufgrund ihres Betonungsmusters aus dem sprachlichen Input identifizieren muss
(Weissenborn, 2000). In den beiden folgenden Phasen - im Alter von etwa zwei Jahren - werden einzelne Wörter
zunächst zu Zweiwort- dann zu Dreiwortsätzen zusammengesetzt. Die vierte und letzte Phase (ab dem vierten Lebensjahr) ist durch den Aufbau der komplexen
Syntax gekennzeichnet.
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Modelle des Spracherwerbs
Innerhalb der Spracherwerbsforschung herrscht Uneinigkeit darüber, wie die Sprachentwicklung bei Kindern abläuft. Es gibt vor allem zwei entgegengesetzte
Modellvorstellungen: den Empirismus oder Behaviorismus und den Nativismus oder
Rationalismus2. Die Diskussion nimmt ihren Ausgang in der Frage,
ob die Voraussetzungen der Kinder zum Erlernen einer Sprache angeboren sind oder aus Beispielen aus der Umwelt gelernt werden (vgl. für das Folgende
Grohnfeldt, 1999 und Grimm, 1977, Bd. 1).
Die Empiristen mit ihrem wesentlichen Vertreter Skinner (1957) gehen von einer behavioristischen Grundannahme aus. Die
sprachlichen Strukturen bilden sich in dem Maße heraus, in dem das Kind das Gehörte übt und dafür gelobt oder getadelt wird. Sprache kann demnach
als Produkt aus von außen angeregten Lernprozessen durch Erfahrung angesehen werden. Der schon im Mittelalter geprägte Satz nihil est in intellectu quod
non prius fuerit in sensu (nichts ist im Verstand, das nicht vorher durch die Sinne erfasst wurde) kann daher als Grundsatz des Empirismus bezeichnen werden.
Dagegen sieht man in der ausgehend von Chomsky (1959, 1965; weiterer wichtiger Vertreter
Pinker, 1994) verfochtenen nativistischen Position Sprache als angeborenen Prädisposition an: Man nimmt an,
dass grundlegende sprachliche Strukturen bzw. Kenntnisse über die Strukturierungsprinzipien natürlicher Sprachen in der Form einer Universalgrammatik
mit bestimmten Optionen angeboren sind, da es kaum vorstellbar sei, wie Kinder aus defizitärem Input ("poverty of the stimulus") in wenigen Jahren eine derart
umfassende sprachliche Kompetenz entwickeln können.
Schon lange vor dem Aufeinanderprallen dieser beiden Extremstandpunkte hatte Stern (1914) eine Synthese, das sog.
Konvergenzmodell, beider Ansichten aufgezeigt: "Bei keiner Funktion oder Eigenschaft dürfte man fragen: 'Stammt sie von außen oder von innen?', sondern
'Was an ihr stammt von außen und was von innen?'; denn stets wirkt beides an ihrem Zustandekommen mit, nur jeweils mit verschiedenen Anteilen"
(Stern, 1967, erstmals erschienen 1914).
Neben diesen Modellen existieren im wesentlichen zwei weitere Ansätze: der kognitivistische (Piaget, Slobin 1985, 1997)
und der interaktionistische (Bruner 1975, 1978, 1987). Im Kognitivismus erklärt man den Spracherwerb in
Abhängigkeit von der kognitiven Entwicklung. Das Kind verhält sich aktiv und konstruktiv. Es konstruiert seine eigene - auch sprachliche - Entwicklung durch
aktive Auseinandersetzung mit seiner Umwelt, und zwar im Einklang mit seiner gesamten biologischen und sonstigen Entwicklung.
Bei dem interaktionistischen Ansatz geht man davon aus, dass Sprache nur in sozialer Interaktion gelernt werden kann. Kinder bringen die jeweilige Situation in Zusammenhang
mit den sprachlichen Äußerungen, die dazu abgegeben werden, und erwerben so ihre Sprache.
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Ebene der Repräsentation
Eine Unit in einem neuronalen Netz wie dem MMC-Netz kann nun verschiedene Ebenen der Auflösung repräsentieren. Sie könnte z.B. für ein einzelnes
Phonem, einen Begriff oder auch ein komplexeres Phänomen (z.B. "Hand, die über ein Fell streicht", Perret et al., 1989)
stehen. Ausgehend von den gerade angestellten Überlegungen erscheint es aber sinnvoll, auch in der Simulation so vorzugehen, dass zunächst mit der
Repräsentation von Einheiten begonnen wird, die einzelne Begriffe darstellen. Diese Repräsentation sollte aber so konstruiert sein, dass sie nach oben und
unten erweitert werden kann.
Eine weitere interessante Beobachtung bei der Sprachentwicklung besteht darin, dass in der Ontogenie das Wort- und sogar das Syntaxverständnis der
Wortproduktion vorausgeht. Bisherige Untersuchungen der frühen rezeptiven sprachlichen Fähigkeiten der Kinder bestätigen die Annahme, dass
wesentliche Strukturmerkmale der Zielsprache - bei in Deutschland aufwachsenden Kindern also das Deutsche - schon vor dem Einsetzen der eigentlichen
Sprachproduktion erworben werden (Marcus, Vijayan et al., 1999). So befolgen Kinder z.B. von Anfang an, wenn sie
beginnen, komplexere Sätze zu verwenden, zentrale morphosyntaktische Regeln der Zielsprache, wie im Deutschen die unterschiedliche Verbstellung in Hauptsatz
und konjuktionalem Nebensatz: z.B. Hans liest ein Buch gegenüber Anna sagt, dass Hans ein Buch liest
(Weissenborn 2000). Dies deutet daraufhin, dass erst eine innere Repräsentation gebildet werden muss, bevor dann
die Inhalte zur Kontrolle von Verhalten verwendet werden können.
Zielsetzung
Obwohl Allen Newell, einer der Väter der Künstlichen Intelligenz, schon 1957 prophezeite, in zehn Jahren werde
der Computer wie ein Mensch denken und sprechen können (Der Spiegel, 1997, Heft 5), scheitern automatische Übersetzungsmaschinen bis heute noch oft,
außer wenn sie in sehr beschränkten Bereichen eingesetzt werden. Dies ist (vermutlich) darauf zurückzuführen, dass beim Verstehen einer Situation,
das einer guten Übersetzung notwendigerweise voraus gehen sollte, zunächst ein Situationsmodell erzeugt werden muss. Das heißt, dass aus einer nicht
eindeutigen Signalsituation ein eindeutiges Modell erzeugt werden muss, das möglichst widerspruchsfrei ist. Erst dann kann die Produktion von Verhalten beginnen.
(Die einfachen Übersetzer bauen aber keine inneren Modelle auf, sondern übersetzen die einzelnen Wörter, ohne zu sehr auf den Zusammenhang bzw.
auf nötiges Weltwissen zu achten.)
Deshalb soll auch hier zunächst eine Hypothese zur Entstehung (innerer) Repräsentationen entwickelt werden, und später sollen Möglichkeiten
der Umsetzung dieser inneren Repräsentationen in sequentielles Verhalten (Sprache) betrachtet werden. Dies ist deshalb sinnvoll, weil sich erst hierbei als weiteres Problem
ergibt, dass einzelne Elemente / Einheiten in eine zeitliche Reihenfolge gebracht werden müssen.
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Literatur
- Braitenberg, V. 1984, Vehicles: experiments in synthetic psychology. Cambridge, MA: MIT Press.
- Bruner, J. 1975, The ontogenesis of speech acts. In: Journal of Child Language 2, 1-19.
- Bruner, J. 1978, The role of dialogue in language. In: The child's conception of language, A. Sinclair; R. Jarvella u. W.
Levelt (eds.). Berlin: Springer.
- Bruner, J. 1987, Wie das Kind sprechen lernt. Huber: Bern.
- Chomsky, N. 1959, A Review of Skinner's Verbal Behavior. In: Language 35 [1], 26-58.
- Chomsky, N. 1965, Aspects of the theory of syntax. Cambridge, MA: MIT Press.
- de Laguna,G. 1927, Speech: It's Function and Development. New Haven: Yale University Press.
- de Saussure, F. 1967, Grundfragen der allgemeinen Sprachwissenschaft. 2. Aufl., Berlin.
- de Saussure, F. 1916, Cours de linguistique générale. Paris/Lausanne.
- Grimm, H. 1977, Psychologie der Sprachentwicklung. Stuttgart: Verlag W. Kohlhammer.
- Grohnfeldt, M. 1999, Störungen der Sprachentwicklung. Berlin: Wissenschaftsverlag Volker Spiess.
- Hebb, D.O. 1949, The organization of behaviour: A neuropschological theory. New York: Wiley.
- Hebb, D.O. 1980, Essay on mind. Hillsdale, N.J.: Laurence Erlbaum Associates.
- Hebb, D.O. 1982, Elaborations on Hebb cell assembly theory. In: Neuropsychology after Lashley, J. Orbach (ed.). Hillsdale,
N.J.: Laurence Erlbaum Associates, 483-496.
- Jusczyk, P.W. und Klein, R.M. (eds.) 1982, The nature of thought: Essays in
honor of O. D. Hebb. Hillsdale, N.J.: Laurence Erlbaum Associates.
- Leopold, W.F. 1949. Speech development of a bilingual child: a linguist's record. Evanston, Ill.: Northwestern University Press.
- Klann-Delius, G. 1999, Spracherwerb. Stuttgart, Weimar: Metzler.
- Marcus, G., Vijayan, S., Bandi Rao, S., and Vishton, P.M. 1999, Rule learning by
seven-month-old infants. In: Science 283, 77-80.
- Mccarthy, D. 1954, Language Developement in Children. In: Manual of Child Psychology, L. Carmichael (ed.). New York:
John Wiley and Sons.
- Mcneill, D. 1970, The acquisition of language: the study of developmental psycholinguistics. New York: Harper & Row.
- Mills, A.E. 1985, The acquisition of German. In: D.I. SLOBIN (ed.), The cross-linguistic study of lnaguage acquisition. Vol.1:
The Data. Hillsdale, N.J.: Laurence Erlbaum Associates.
- Perret, D.I., Harries, M.U., Devan, R., Thomas, S., Benson, P.J., Mistlin, A.J., Chitty, A.J., Uietanen, J.K., and
Ortega, J.F. 1989, Frameworks of analysis for the neural representation of animate objects and actions. In: J. of Exp. Biology
146, 87-113.
- Pinker, S. 1994, The language instinct. London: Penguin.
- Steinkühler, U., Burkamp, C., Cruse, H. 1998, MMC - a holistic system for a nonsymbolic internal body representation. In:
Biol. Cybern. 79, 457-466.
- Stern, W. 1914, Psychologie der frühen Kindheit bis zum sechsten Lebensjahre. Leipzig: Quelle & Meyer. (9. Aufl. 1967)
- Skinner, B.F. 1957, Verbal Behavior. Acton, MA: Copley Publishing Group.
- Slobin, D. 1985, The cross-linguistic study of language acquisition: theoretical issues. Vol 2. Hillsdale: Erlbaum.
- Slobin, D. 1997, The cross-linguistic study of language acquisition, Vol. 5. Hillsdale: Erlbaum.
- Szagun, G. 1996, Sprachentwicklung beim Kind. Weinheim: Psychologie Verlags Union.
- Tani, J., Nolfi, S. 1999, Learning to perceive the world articulated: an approach for hierarchical learning in sensory-motor systems.
In: Neural Networks 12, 1131-1141.
- Weissenborn, J. 2000, Der Erwerb von Morphologie und Syntax. In: Sprachentwicklung, ed. H. Grimm. Göttingen:
Hogrefe, 141-169.
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1 Die Frage, wie der Mensch zur Sprache kommt, beschäftigt den Menschen schon seit sehr langer Zeit. Das wohl älteste
Zeugnis liefert der Geschichtsschreiber Herodot (um 460 v.Chr.). Er beschreibt ein Experiment, das der ägyptische Pharao
Psammetich I. durchgeführt haben soll. Um herauszufinden, ob es eine Art Ursprache gibt, habe er zwei Neugeborene in einer Umgebung aufziehen lassen, in der nicht
gesprochen werden durfte. Als die Kinder nach zwei Jahren etwas wie "bek" sagten und Nachforschungen ergeben hatten, dass die Phryger Brot "bekos" nannten, habe der
Pharao geschlossen, dass Phrygisch die Mutter aller Sprachen sein musste. zurück zur Textstelle
2 Dieser Gegensatz geht im Prinzip schon auf die beiden erkenntnistheoretischen Gegenpole des 17. Jahrhunderts zurück: dem
Empirismus mit seinen Hauptvertretern John Locke, Francis Bacon, David Hume und
George Berkeley auf der einen und dem Rationalismus (René, Descartes, Baruch
Spinoza und Gottfried Wilhelm Leibniz) auf der anderen Seite. zurück zur Textstelle
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